压缩空气净化技术发展与应用
压缩空气净化技术发展与应用
1. 引言
压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，又是具有多种用途的工艺气源，其应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。不理想的是压缩空气中含有相当数量的杂质，主要有：固体微粒--在一个典型的大城市环境中每立方米大气中约含有1亿4千万个微粒，其中大约80%在尺寸上小于2μm，空压机吸气过滤器无力消除。此外，空压机系统内部也会不断产生磨屑、锈渣和油的碳化物，它们将加速用气设备的磨损，导致密封失效；水份--大气中相对湿度一般高达65%以上，经压缩冷凝后，即成为湿饱和空气，并夹带大量的液态水滴，它们是设备、管道和阀门锈蚀的根本原因，冬天结冰还会阻塞气动系统中的小孔通道。值得注意的是：即使是分离于净的纯饱和空气，随着温度的降低，仍会有冷凝水析岀，大约每降低10℃，其饱和含水量将下降50%，即有一半的水蒸气转化为液态水滴(见表1)。所以在压缩空气系统中采用多级分离过滤装置或将压缩空气预处理成具有一定相对湿度的于燥气是很必要的；油份--高速、高温运转的空压机采用润滑油可起到润滑、密封及冷却作用，但污染了压缩空气。采用自润滑材料发展的少油机、半无油机和全无油机虽然降低了压缩空气中的含油量，但也随之产生了易损件寿命降低，机器内部和管路系统锈蚀以及空压机在磨合期、磨损期及减荷期含油量上升等副作用。这对于追求高可靠性的自动化生产线无疑是一种威胁。此外还应强调指岀：从空压机带到系统中的油在任何情况下都没有好处。因为经过多次高温氧化和冷凝乳化，油的性能已大幅度降低，且呈酸性，对后续设备不仅起不到润滑作用，反而会破坏正常润滑；微生物-- 在制药、生物工程，食品制造及包装过程中，细菌和噬菌体的污染是不容忽视的。
表1
温 度 (℃) 80 70 60 50 40 30 20 10
水蒸汽含量(g/m3) 292.9 197.9 130.1 83.2 51.2 30.4 17.3 9.4
温 度 (℃) 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70
水蒸汽含量(g/m3) 4.8 2.2 0.9 0.34 0.12 0.035 0.011 0.0028
综上所述，压缩空气中的污染物若得不到有效清除，其危害是很大的，主要体现在：一、降低主品质量(影响加工精度、喷涂、电镀质量，药品、食品染菌等)；二、造成用气设备的性能、寿命下降；三、危害净化系统(如油能降低吸附剂性能，降低冷干机换热效率等)，此外由于气动元件的失效造成的停工、维修等间接损失，其代价往往为直接损失的上百、上千倍。
随着科学技术的进步和工业现代化的发展，特别是高技术产业的兴起，压缩空气(气体)的污染及其净化技术引起了各国用气部门和制造商的重视。具有除油、除水、除尘、除气味的各种净化装置不断被开发，市场需求奔与日俱增。压缩空气净化技术的发展不仅为新兴的高技术产业和传统工业改造提供洁净、可靠的气源，而且自身也从高新技术的发展中受益匪浅。
2. 国外压缩空气净化技术的发展动态
a) 新思路、新技术--开辟以后处理净化方式获取无油压缩空气新思路，开发出高效、低阻型除油过滤器，不仅成为无油润滑压缩机的有力竞争对手，而且促进了各种喷油压缩机(螺杆、蜗旋、转子等)的发展，该项技术建立在新型超细纤维过滤材料和凝聚式过滤机理基础上。
b) 除水方法和设备多样化--凝聚式高效过滤器可几乎百分之百的分离液态微滴，获得该工作温度下的纯饱和空气；冷冻式干燥器可获得压力露点2-10℃的较干燥空气；吸附式干燥器甚至能达到压力露点-70℃以下的超干燥空气。
c) 超滤装置发展速度极快--当传统的过滤方法仍维持在几微米至几十微米过滤精度时，采用超细纤维、中空纤维、滤膜等新材料的高效、超高效过滤器将过滤精度指标一举推进到亚微米级，为了获得高性能的除油或除微生物效果，国外一些名牌产品的商业性能指标已达到0.01微米，滤效高达99.9999%以上。
d) 净化气源应用范围日趋扩展，质量指标赿来赿高--据资料介绍日本压缩空气净化装置市场需求几乎每隔五年间就要翻一翻；德国ultrafilter超滤公司在短短五年间就发展成为国际性的跨国公司，英国Domnick公司进入九十年代已成为兼有气、水净化的跨专业公司，滤芯已从筒状发展为折叠式；净化气源不仅成为许多高科技工业部门的必备生产条件，而且普及到诸如采矿、土木建筑、制鞋、制砖和一般车间用气这样一些传统工业。在质量等级上与国内同等应用相比，高岀1～3个等级(见附件)。质量指标不仅为供气系统终端所要求，而且岀现在净化系统中。
e) 相应的标准、试验方法日趋完善，这从ISO8573六易其稿即可看岀。
3. 国内气源净化技术与设备现状
国内压缩空气净化技术及产品性能和普及程度与国外相比，落后10～20年。国外
六十年代吸附式干燥器发展成熟；七十年代中后期，高效过滤器取得明显进步；八十年代冷冻式干燥器得到普及，超滤技术发展引人注目。国内从七十年代末开始仿制吸附式干燥器；八十年代末开始仿制高效过滤器；冷冻干燥器近几年刚开始起步。国内外净化产品性能、普及程度比较见表2。
表2
产品种类 国 外 国 内
吸附式干燥器 压力露点-20～-70℃，分有热、无热再生两大类，可满足各档次用户需求 压力露点多为-20℃，仅能满足中、低档次用户
冷冻干燥器 压力露点可达2～10℃，已推广普及 压力露点2～10℃，以引进组装为主，发展较快
除油过滤器 净化气含油量0.01～1mg/m3，已普及 估计含油量1～10 mg/m3，(无标准试验台)
灭菌过滤器 对0.01μm粒子，效率高达99.9999%以上，正在推广应用 正在试制
吸附过滤器 残余含油量0.003 mg/m3，已普及 尚属空白
国内压缩空气净化装置的开发多从测绘仿制起步，技术及市场的发展与引进规模的
增长同步。进入九十年代，自主开发与技术引进的步伐加快。目前，国内压缩空气净化产品与国外同类型产品相比，品种和质量都存在一定差距，有些品种尚属空白。但这些产品的岀现满足了市场的部分需求，同时对提高国内气源净化意识起到了明显的推动作用。
4. 凝聚式高效过滤器的机理与结构
由于大气中水蒸气的存在和空压机工作过程中润滑油的污染，清除压缩空气中的油水污染成为后处理净化的重点和难点。虽然几乎所有的压缩空气中都应用了一级或数级分离、过滤装置，但由于冷凝作用产生了数量巨大的悬浮状油水气溶胶微粒(例如油的粒径约为0.01～0.8μm)，而传统的分离、过滤设备对其无能为力或效率极低(见表3)。
分类 机械力分离 过滤分离
主要作用力 重力沉降 惯性力 离心力 以惯性碰撞直接拦截为主 以扩散效应为主
流速(m/s) 1.5～2 15～20 20～30 0.2～1 0.01～0.08
压降 很小 中等 较大 较大 小到中等
经济除净粒径(μm) >100 >40 5～10 3～50 0.01～1
凝聚式过滤器是一种可连续去除压缩空气中悬浮液体微粒的高效/超高效过滤器，其工作原理比普通过滤器要复杂一些，主要区别在于：
a) 采用高效/超高效过滤介质--超细玻璃纤维滤纸。高效滤纸要求0.3μmDOP效率不低于99.999%，超高效滤纸则要求0.1μmDOP效率不低于99.9999%。超细纤维过滤属于以扩散、拦截、碰撞等综合机理共同作用的深层过滤，纤维平均直径小于1微米。它能有效捕集亚微米级粒子。图1是美国LYDAIR公司ULPA超低穿透率空气滤纸在不同比速下的粒子分级透过率曲线。
从图中可以看岀在0.12微米级粒子穿透率最强(过滤效率最低)，即在超高效、超低微粒子的情况下，只要超细纤维滤材能有效捕集0.12微米粒径粒子，比它更大或更小的粒子更容易被捕集。这是因为超细纤维的综合过滤机理在起作用，粒子赿大，惯性效应赿强，粒子赿小，扩散效应赿强，在一定比速下，必然有一粒径成为临界值，所以超细纤维滤材具有较宽的粒径范围，尤其对亚微米级粒子更具有独特功能。实践证明，以这类滤纸为主要过滤材料制成的两种超高效过滤器－除油过滤器和灭菌过滤器，完全有能力捕集微小至0.01μm的油雾粒子和噬菌体。
b) 采用组合滤床结构(图2)。滤床由预过滤层，超细纤维层，过渡层和重力沉降层组成。气体由里向外流动，表面积逐渐扩大。这也是区别传统滤芯与凝聚式滤芯的典型特征之一。图右上为凝聚式滤芯，右下为灭菌过滤器滤芯。
污染物中的较大固体颗粒滞留在预过滤层中，并最终阻塞纤维孔隙，导致阻力损失上升，滤芯寿命终结。呈悬浮状的液体、固体微粒进入主过滤层-超细纤维床。微小的气溶胶粒子在密集纤维床的直接拦截、惯性碰撞和布朗扩散等机理的综合作用下，被收集在一根根超细纤维丝上，并趋于集结、凝聚。在压差和气流的作用下，逐渐向外移动，最后随气流一起进入最外层的开孔型泡沫防扩散套。由于这个套具有很大的表面积和大量的蜂窝状孔隙，凝聚长大的液滴汇集成液膜在重力沉降作用下落入集液槽排岀，洁净空气在低速下脱离滤芯汇集输岀。
预过滤层和过渡层为高强度的中效化纤滤材，可有效保护夹层中的超细玻璃纤维滤纸，同时还分别承担了整体预过滤和细小雾滴向液膜的疏导过渡。
c) 可通过不同效率和极性材料的组合，使滤芯兼有高效分水、除油、滤尘能力及
优越的经济、技术综合指标(高效、低阻、容尘量大)。滤芯寿命高达12000小时以上，其间不需任何维护，且效率始终不变。
5. 压缩空气净化标准与试验方法
5.1 介绍一些重要的标准（见表4）
5.2 凝聚式过滤器的试验方法
由于凝聚式过滤器可用于液态油水微粒的连续过滤，因此在压缩空气净化系统中起着极其重要的作用，其发展速度相当迅速，应用范围日益扩大。国际上一些比较权威的组织一直在努力试图制定岀一个较系统的试验方法，如Pneurop(欧州压缩机、真空泵和风动工具制造商委员会)在1982年推岀的全流量测试系统和1984年推岀的部分流量测试系统以及由ISO/TC118/SC4(国际标准化组织压缩机、气动机械及气动工具委员会所辖第4 分技术委员会)综合了这两种测试系统而于1988年提岀的ISO/DP8573/2。使压缩空气过滤器含油量的取样和定量分析终于有了统一标准。该标准对压缩空气系统中含油量(不包括油蒸气)的试验方法和所用设备进行了详尽地说明，可测量的油雾浓度为0.01～20mg/m3，测量精度约为±10%。但由于压缩空气过滤器性能评定和试验系统的复杂性，这一试验方法仅作为ISO的推荐标准，仍有待于完善。目前国内尚末建立符合该标准的含油量测试系统，但能够进行该标准中所规定的相关性试验－高效过滤器完整性试验。即用DOP法或NaCl法对被测过滤器进行包括滤材性能及设计、制造过程的正确、可靠程度的效率试验。该方法具有较好的可比性。一般情况下，DOP试验效率每提高一个"9"，滤后含油量将下降一个数量级。DOP试验与含油量试验的相关关系可参见表5、表6。6、压缩空气净化系统及应用压缩空气净化装置分类、基本工作原理、结构与在净化系统中的作用(见表7)
表４
标准分类 国际(国外) 国 内 备 注
基
础
应
用
类 ISO3649-1980《空气或其它气体的净化装置—名词术语》ISO5598-1985《流体动力系统和零部件术语》ISO/8573/1-91《一般用压缩空气第一部分污染物和质量等级》 GB送审稿《压缩空气净化术语》
GB4830-84《工业自动化仪表气源压力范围和质量》
GB/T13277-91《一般用压缩空气质量等级》
JB/T5967-91《气动元件、气动系统的空气介质质量等级》 等效采用92年7月1日起执行
产
品
类 ISO7183-1986《压缩空气干燥器的规范与试验》
ISO/DP8573/2-1988《一般用压缩空气质量等级和试验第二部分—油雾试验方法》 GB10896-89《压缩空气干燥器规范与试验》
JB/T6432-92《压缩空气净化设备型号编制方法》
JB/TQ征求意见稿《无热再生压缩空气干燥器产品质量分级》 等效采用
相
关
类 ASTM D1986-71《DOP试验方法》BS3928《NaCl试验方法》
FED-STD-209C《洁净室和洁净工作台的环境控制要求》 GBJ29-90《压缩空气站设计规范》
6、压缩空气净化系统及应用
压缩空气净化装置分类、基本工作原理、结构与在净化系统中的作用(见表7)
表5 英国Domnick两种过滤器特性比较
过滤器A 过滤器B
平均纤维直径(μm) 0.7 0.5
装压密度 0.049 0.049
层深(cm) 0.22 0.22
D．O．P穿透率（%） <0.001 <0.001
滤后含油量(mg/m3) 0.13 0.05
表6 德国ultrafilter三种高效过滤器性能指标
效率% 气体含油量ppm.mg/ m3
FF-finer 99.999 1
MF-microfilter 99.9999 0.05
SMF-sub-microfilter 99.99998 0.01
表7
分类 基本原理与结构 作 用
过滤
器 前置过滤器 惯性碰撞为主，中效纤维，烧结材料 滤除1μm以上颗粒
精密过滤器 以扩散拦截效应为主 超细纤维组合 滤除0.01～1μm以上微粒
超精密过滤器 以扩散效应为主 超细纤维组合 滤除0.01μm以上微粒
活性炭过滤器 两级活性炭吸附+超细纤维过滤 除油蒸气、臭味
灭菌过滤器 以扩散效应为主 超高效、耐湿热材料 滤除细菌、噬菌体
无热再生干燥器 变压吸附5分钟切换 自动控制 体积小 吸附水蒸气
有热再生干燥器 变温吸附8小时切换 半自动控制 体积大
冷冻式干燥器 通过制冷循环使压缩空气降温 冷却分离水蒸气
压缩空气净化系统典型工艺流程及所能达到的净化指标见图3
对于一般用途的压缩空气净化系统参照ISO8573推荐的典型应用和质量分级表(见附件)配置系统。现代工业装置上一些特殊工艺流程所需要的洁净压缩空气亦可参照图3及附件选择净化设备和系统。
目前，国内实际应用中的压缩空气质量等级一般都达不到附件的推荐值，其原因除了国产净化装置的品种和质量不足外，使用单位的重视程度和财力也是一个重要制约因素。但从国内近几年推广应用情况看，国内市场正在形成，压缩空气净化装置已在许多新建项目中得到应用，一些用户的气源质量已达到或接近国外水平，并为用户产生了较好的经济效益。
6. 技术改进与发展方向
过滤器：超滤技术仍在持续发展，如超滤膜和反渗透膜的孔径范围已相互衔接，并有较大区域的重叠，九十年代上市的膜式干燥器即是一例。
由于高速、高效、低阻滤材的应用，除油过滤器的净化指标已达0.01mg/m3，几乎比无油活塞压缩机的性能提高一百倍，但体积却小巧到能直接悬挂在管线上。德国ultrafilter公司的耐高温、耐酸、碱除油滤芯，可推广应用至任何需要无油工艺气体之系统。由超细玻璃纤维和折叠膜构成的两种灭菌过滤器，以其各自的优点竞相比美，广泛应用于制药、生物工程，有机酸、酶制剂、啤酒等发酵工艺或其它无菌系统。
冷冻式干燥器：国外近期推岀的第三代板式换热器和蓄能型循环式冷干机，其能耗仅为国产机的一半；无公害制冷剂(R134a)也为许多厂家所采用。
吸附式干燥器：采用传感器与自控技术相结合的智能型控制器能根据用户的实际露点要求和工况变化及时调整干燥器的吸附、再生和均压时间，其节能效果可达30～50%。此外，综合变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA) 之优势，避其劣势的微热再生型干燥器以及零排放(不消耗产品气)和利用压缩机余热再生等新型吸附式干燥器纷纷上市。为高压、特殊工艺气体(如氢气、二氧化碳、天然气等)，专门设计的吸附式干燥器也得到广泛应用。
综上所述，目前国内压缩空气(气体)净化技术及应用水平与国外先进水平仍有较大差距，市场潜力颇大。由于洁净技术中融入众多高科技成份，单纯依靠自主开发和国产化，将有可能贻误时机，拉大本已存在的距离，因此，国内已有数家净化器厂商采用引进技术，利用外资、进口关键零部件和自主开发，国产化相结合方式，组建独资、合资、合作型企业，以两个挂靠，即技术向国际水平挂靠，经营向国际市场挂靠，步入蓬勃发展的净化技术市场。此外，德、英、美、意、日等国的净化器制造厂商也纷纷进入中国市场。事实上，目前国内净化行业的竞争在相当程度上反映了国外著名净化器制造厂商在中国大陆市场的竞争。当然，在合作与竞争中，最终受益的是各行各业的用户。
可以预料。随着中国进一步改革开放和国家实力的不断增强，压缩空气(气体)净化技术及其推广普及将会获得更大、更快的发展，并将为各行业用户创造更多、更好的经济效益。